水輪發電機組勵磁誤強勵故障的分析及處理

陳 沖

(烏東德水力發電廠，云南 祿勸 651512)

強勵功能是發電機勵磁系統的重要指標之一，強勵對于改善、提高發電機的暫態穩定性,改善電力系統運行條件,提高繼電保護裝置動作的正確性起著重要作用[1]。而誤強勵對發電機的安全運行具有極大的危害性，在實際運行的發電機中存在著許多可能引起誤強勵的因素,這將嚴重危害發電機的安全運行[2-3]。在某大型水電站機組調試過程中，勵磁系統在發電機甩負荷和動水落門停機試驗中都發生了誤強勵的情況，分析這種誤強勵情況的發生是由于勵磁程序角度計算子程序沒有采用跟頻算法造成的。

1 誤強勵故障分析

1.1 誤強勵故障過程

在機組甩350 MW負荷試驗過程中，當甩掉負荷轉速上升至120%時，勵磁系統收到“逆變退勵磁”令，之后勵磁系統誤強勵，直至定子過壓保護動作，直流滅磁開關跳閘滅磁。

在機組動水落門停機試驗中，當勵磁系統逆變一段時間后，逐漸又轉入整流態，勵磁電流上升，最高至1.7倍額定值，之后過激磁保護動作，直流滅磁開關跳閘滅磁。

1.2 誤強勵故障分析

1.2.1 過速時逆變導致誤強勵

機組甩負荷過程中，投逆變令后，本該急速下降的勵磁電流實際上卻是在逐漸上升，直至保護動作，事件波形見圖1。

圖1 機組甩負荷時誤強勵波形圖

1.2.2 低轉速時逆變導致誤強勵

機組動水落門過程中，投逆變后勵磁電流下降，但下降速度隨著轉速的降低越來越慢，直至開始緩慢上升，且上升速度隨著轉速的降低而加快，從而形成了誤強勵，事件波形見圖2。

圖2 機組動水落門試驗中誤強勵波形圖

1.2.3 觸發角與機組頻率的關系

對于帶轉子(電感)的三相可控硅功率整流柜，當觸發角α滿足0°<α<90°時為整流狀態(勵磁運行時)，90°<α<180°為逆變狀態(勵磁退出時)。可控硅在觸發角接近180°時因換相裕量角太小有失控(逆變顛覆)的可能[4]，所以實際允許運行的范圍一般為5°<α<170°，該勵磁調節器設定的范圍為10°<α<150°。

觸發角在勵磁系統中是以觸發脈沖時間的形式來實現的，即脈沖在一個周期內的出現位置tα[5]。該勵磁程序中計算觸發脈沖時間以50 Hz作為基準，tα和設定觸發角αreg的關系如下：

(1)

實際觸發角αact則跟同步頻率fact相關：

(2)

由(1)和(2)可得：

(3)

逆變時觸發角滿足90°<α<180°，當頻率過低時，αact可能小于90°而進入整流區；當頻率過高時，αact可能大于180°即進入下一周期的整流區。即逆變時頻率過高或過低都會使勵磁系統實際上為整流運行，即誤強勵。

1.2.4 故障原因

通過對脈沖算法的分析，由于該機組勵磁系統在計算可控硅觸發角時不是跟蹤實時頻率，而是固定以額定頻率50Hz來計算，所以當實際頻率與額定頻率不同時，實際的觸發角也會改變。現場甩負荷試驗過程中機組頻率升高，同時調節器收到逆變信號，觸發角度置逆變角150°，由于頻率升高幅度過大導致對應觸發角度大幅上升超過180°從而進入整流區，導致誤強勵。同理，在快速落門停機時由于頻率大幅降低，觸發角度大幅減小低于90°從而進入整流區，導致誤強勵。兩次誤強勵故障都是由于實際頻率與額定頻率相差太大，導致逆變時實際的觸發脈沖并未落在逆變區而是落在整流區，從而增加勵磁電流形成了誤強勵。簡言之，在原程序下運行，轉速過高或者過低時投“逆變退勵磁”都會導致勵磁誤強勵。

2 解決方法

2.1 修改觸發角度計算方式

通過以上分析得出，該機組勵磁系統在調試過程中出現的兩次誤強勵事件均是由觸發角度計算不跟頻的問題引起的。現將空載下觸發角度計算方式更改為同步智能跟頻，即在機端電壓20%以上由固定頻率改為跟隨實際頻率，20%以下采用固定頻率50 Hz，確保自并勵下同步電壓過低測頻不準時觸發角的可靠觸發，提高50 Hz下起勵和逆變的可靠性。負載下觸發角度計算仍然采用固定頻率50 Hz，主要考慮負載下頻率不會有大幅變化，同時保證角度計算的可靠性。

2.2 試驗驗證

2.2.1 機組低頻條件下逆變試驗

發電機空載額定運行，調速器改變發電機頻率到41 Hz，勵磁系統現地逆變停機，試驗波形見圖3。

通過錄波觀察，勵磁系統在低頻條件下整個逆變功能正常，機端電壓20%以上時，角度計算頻率跟蹤正確，轉子電流、機端電壓平緩下降；機端電壓下降至20%后角度計算轉為固定頻率50 Hz，逆變功能正常。

2.2.2 發電機組高頻條件下逆變試驗

發電機空載額定運行，調速器改變發電機頻率到60 Hz，勵磁系統現地逆變停機，試驗波形見圖4。

通過錄波觀察，勵磁系統在高頻條件下逆變功能正常，機端電壓20%以上時，角度計算頻率跟蹤正確，轉子電流、機端電壓平緩下降；機端電壓下降至20%后角度計算轉為固定頻率50 Hz，逆變功能正常。

后期分別經過機組700 MW甩負荷和動水落門試驗驗證，勵磁系統角度計算頻率跟蹤正確，各變量狀態正常。

圖3 機組低頻40 Hz逆變圖

圖4 機組高頻60 Hz逆變圖

3 結 語

該電站機組勵磁系統設計之初考慮機組正常并網運行時頻率不會發生大幅變化，角度計算程序采用常量較采用變量可靠性高，固將角度計算設置為跟蹤固定頻率以提高并網運行的可靠性。而當機組在空載狀態下進行甩負荷和停機時頻率會出現大幅變化，跟蹤固定頻率算法已不能滿足實際工況要求，才會出現上述問題，在這種情況下應該采用智能跟頻的算法。為了更好地幫助相關從業人員分析和解決相關問題，我們結合水電站實際案例進行了分析，并提出了預防措施，希望對相關設計和維護人員有所幫助。